JP2023030627A - アクチュエータ構造および流体制御機器 - Google Patents

Abstract

【課題】バルブリフトの器差によらず、正確に内部動作を取得可能なアクチュエータ構造を提供する。【解決手段】内部動作に関するデータを取得可能なアクチュエータ構造であって、流路を画定するバルブボディと連結されるボンネット１と、磁性体Ｍ１と対向して配置され、磁性体と共に磁気センサMを構成するセンサ部材Ｍ２と、ボンネットの内部を摺動し、摺動に応じてダイヤフラムを開閉するステム２と、ステムの上端部が挿通される円環部３１と、ボンネットに固定されるとともに磁性体又はセンサ部材の一方を保持する保持部３２と、を有するセンサカバー３と、ステムの上端部であってセンサカバーの上方に挿通される、磁性体又はセンサ部材の他方を保持するホルダ４と、を備え、ステムの上端部には、基部２１よりも小径の第１小径部２２と、第１小径部より小径の第２小径部２３とが連続して形成される。【選択図】図３

Description

本発明は、機器内にセンサを備えると共に、当該センサによって検出したデータを出力可能なアクチュエータ構造および流体制御機器に関する。

半導体ウエハの表面に薄膜を形成する成膜処理においては薄膜の微細化が求められ、近年では原子レベルや分子レベルの厚さで薄膜を形成するALD (Atomic Layer Deposition)という成膜方法が使われている。
しかし、そのような薄膜の微細化は流体制御機器に今まで以上の高頻度な開閉動作を要求するようになった。これに答えるため流体制御機器の高耐久化・長寿命化が進んでいる。

流体制御機器の高耐久化のために、機器が作動する際に摺動する距離（リフト量）を小さくし部品への負荷を減らす方法が知られている。また、ＡＬＤ法では多種のガスを利用するためプロセスライン数が多く、機器サイズを抑えるためにプロセスラインの小型化・集積化が望まれている。そのため、流体制御機器の小型化が進んでおり、このことからもさらにリフト量は小さくなる傾向がある。

加えて、近年では流体制御機器の状態、特に開閉状態をセンサで検知し、そのデータを用いて制御を行う成膜装置の要求が高まっている。一般に、摺動する部品の位置をなんらかの手段で検出することで、流体制御機器の開閉状態を検知する構成が知られている。しかしながら、この構成ではリフト量が小さい流体制御機器においては検出自体の難度が高まると同時に、機械加工や組み立ての状態による流体制御機器各個体の差、すなわち器差の影響により正確な開閉状態の検知が難しくなるという問題があった。

この点、小型化を目的の１つとしたバルブ装置の例として、特許文献１では、ダイヤフラムおよびダイヤフラムの周縁部に接触する押えアダプタを押圧しつつ、バルブボディ内に固定されるアダプタ固定リングを備えるバルブ装置が提案されている。また、高耐久性を目的の１つとした流体制御弁の例として、特許文献２では、弁体の上下動を検出する光センサおよび反射面を備え、反射面はロッドの軸に対し垂直方向円板状の鍔部に形成されてロッドの動きと連動する流体制御弁が提案されている。この流体制御弁では、ロッドの外周面とピストンの内周面の間に弾性部材を配置することで、ピストンの傾きがロッドの傾きより小さくなるよう保持されている。

特許第６１７０６３５号公報 特許第５９４５４９９号公報

本発明は、バルブリフトの器差によらず、正確に内部動作を取得可能なアクチュエータ構造を提供することを目的の一つとする。

上記目的を達成するため、本発明の一の観点に係るアクチュエータ構造は、流体の流路中に配置され、内部動作に関するデータを取得可能なアクチュエータ構造であって、流路を画定するバルブボディと連結されるボンネットと、磁性体と対向して配置され、前記磁性体と共に磁気センサを構成するセンサ部材と、前記ボンネットの内部を摺動し、摺動に応じてダイヤフラムを開閉するステムと、前記ステムの上端部が挿通される円環部と、前記ボンネットに固定されるとともに前記磁性体または前記センサ部材の一方を保持する保持部と、を有するセンサカバーと、前記ステムの上端部であって前記センサカバーの上方に挿通される、前記磁性体または前記センサ部材の他方を保持するホルダと、を備え、前記ステムの上端部には、基部よりも小径の第１小径部と、前記第１小径部より小径の第２小径部とが連続して形成され、前記第１小径部は前記センサカバーに挿通され、前記第２小径部は前記ホルダに挿通される。

前記第１小径部と前記第２小径部との間には、それらの径の相違による段部が形成され、前記ホルダの底面は、前記ステムが上方に位置する状態において、前記段部に当接して前記センサカバーと離反し、前記ステムが下方に位置する状態において、前記センサカバーに当接し、前記ステムと離反するものとしてもよい。

前記ボンネットの内壁には、前記円環部の外周に対応する溝が形成されているものとしてもよい。

上記目的を達成するため、本発明の別の観点に係る流体制御機器は、流体の流路中に配置され、内部動作に関するデータを取得可能な流体制御機器であって、アクチュエータ構造と、前記アクチュエータ構造の上下動に応じて中央部が変位するダイヤフラムと、前記流路が連通する箇所の周縁に設けられ、前記ダイヤフラムが当接離反することによって、前記流路中の流体の流通および遮断が切り替わるシートと、を備え、前記アクチュエータ構造は、上述のいずれかに記載のアクチュエータ構造である。

本発明に係るアクチュエータ構造によれば、バルブリフトの器差によらず、正確に内部動作を取得することができる。

本発明の実施形態に係る流体制御機器を示す概略縦断面図である。 本実施形態に係るアクチュエータ構造を示す概略斜視図である。 本実施形態に係るアクチュエータ構造の内部構造を示す概略縦断面図であって、（ａ）開状態、（ｂ）閉状態を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係るアクチュエータ構造および流体制御機器について、図を参照して説明する。各図において、流路方向をｙ方向、流路方向に直交する方向、すなわち流体制御機器Ｖの幅方向をｘ方向、鉛直方向をｚ方向とする。
本実施形態に係る流体制御機器Ｖは、流体制御機器Ｖの内部動作を検出するセンサを内蔵し、他の端末等と有線による通信を実行するエア作動式のダイレクトダイヤフラムバルブである。
なお、ここにいう他の端末には、サーバ等の所謂コンピュータのほか、他の流体制御機器や流量制御装置などの機器や装置が含まれる。

図１～図３に示されるように、本実施形態に係る流体制御機器Ｖは内部動作に関するデータを取得可能な機器である。

流体制御機器Ｖは、主として、アクチュエータＤと、アクチュエータ構造Ａと、ダイヤフラム５４と、バルブボディ５０を有し、アクチュエータＤはアクチュエータ構造Ａの上部に連結される。また、アクチュエータ構造Ａの下部はバルブボディ５０に連結されている。また、アクチュエータ構造Ａの下方にはダイヤフラム５４が配設され、アクチュエータ構造Ａに含まれるステム２がダイヤフラム５４に当接している。

バルブボディ５０は、複数の流路が形成されたブロック状の部材であり、少なくともアクチュエータ構造Ａが配設される流路の上流側の流入路、および当該流路の下流側の流出路を画定している。バルブボディ５０の底面は、複数の流体制御機器Ｖによってユニット化された流体制御装置を構成する場合には、基板あるいはマニホールドブロック上に固定される。各流路の底面における開口の周囲には、シール部材を保持する凹状の保持部が形成されている。また、各流路は、底面とは反対側の開口に通じる弁室で互いに連通している。なお、バルブボディ５０は、本実施形態においては二方弁のバルブを実現するものとなっているが、三方弁であってもよい。また、複数の流路は、いずれが流入路又は流出路であってもよい。

また、流入路と弁室が連通する箇所の周縁には、環状のシート５３が設けられている。シート５３上には、シート５３に当接離反することによって流入路と流出路間で流体を流通させたり、流通を遮断させたりするダイヤフラム５４が設けられている。

ダイヤフラム５４は、ステンレス、Ni-Co系合金等の金属やフッ素系樹脂からなると共に、中心部が凸状に膨出した球殻状の部材であり、流路とアクチュエータが動作する空間とを隔離している。このダイヤフラム５４は、アクチュエータ構造Ａの上下動に応じて中央部が変位する。ダイヤフラム５４は、駆動圧としての駆動流体の供給がされていない状態ではダイヤフラム５４がダイヤフラム押え５５により押圧されて弾性変形し、ダイヤフラム５４がシート５３と当接し流路が遮断された状態となる。駆動圧としてのエアが供給されてダイヤフラム押え５５による押圧から開放されるにつれ、自身の復元力や流路内の圧力によってシート５３から離反する方向に変位してシート５３から離反し、流路が開放された状態となる。

アクチュエータ構造Ａは、主として、ボンネット１、ステム２、センサカバー３、ホルダ４、およびプッシュロッド５を備える。

●ボンネット１
図２に示すように、ボンネット１は、アクチュエータ構造Ａ内の動作を検出するための一又は複数のセンサ、例えば磁気センサＭが取り付けられ、バルブボディ５０と連結されるとともに、ダイヤフラム５４をバルブボディ５０に固定する部材である。

ボンネット１は、略円筒状からなる。ボンネット１の長手方向（＋ｚ方向）上部には、内側にネジ部１１が形成されており、アクチュエータＤのケーシングが螺入される。アクチュエータＤは、例えば、圧縮エアで駆動させるピストン等とすることができるが、その他、手動、圧電アクチュエータ、ソレノイドアクチュエータ等種々のアクチュエータを採用することができる。ボンネット１の長手方向（－ｚ方向）下部には、外側にネジ部１２が形成されており、バルブボディ５０と螺合する。

図２に示すように、ボンネット１の長手方向（ｚ方向）中央部、すなわちネジ部１１、１２を除く部分の少なくとも一部は、円筒面の一部が平面状に切り欠かれ、平面１３が形成されている。平面１３には、センサ取付部１４、および開口部１５が形成されている。

センサ取付部１４は、ボンネット１を貫通する孔であり、センサカバー３が篏合される。センサカバー３の後述するセンサ部材保持部３２は、組立状態において、センサ取付部１４に沿ってｙｚ平面に配設されるようになっている。言い換えれば、センサ部材保持部３２は平面１３に沿って配設されている。平面１３は、ボンネット１の円筒面からセンサ部材保持部３２の半径方向（＋ｘ方向）の厚さよりも大きく切り欠かれており、その結果、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、センサ部材保持部３２は、ボンネット１の外周面、特にネジ部１１の外周面から半径方向に突出しないように構成されている。

このように、センサ取付部１４が円筒面を平面状に切り欠かれてなる平面１３に形成されている構成によれば、センサカバー３のセンサ部材保持部３２をボンネット１の外周面側に配設するにあたって、センサ部材保持部３２がボンネット１の半径方向に突出することがない。また、ボンネット１はバルブボディ５０に対してねじ込みによって固定されているため、ボンネット１上の磁気センサＭの位置は、量産における個体ごとにばらつきが生じ、確定できない。しかしながら、上述の構成によれば、センサ取付部１４がどの位置に配置されても、センサ部材保持部３２はボンネット１の円筒面より半径方向内側に位置しているから、センサ部材保持部３２が流体制御機器Ｖの幅方向に突出することがない。すなわち、流体制御機器Ｖの幅方向の厚さを薄く、例えば１０ｍｍ程度にすることができる。

センサカバー３の後述する円環部３１は、組立状態において、センサ取付部１４からボンネット１内部に挿通されている。センサ取付部１４に連通するボンネット１の内壁には、円環部３１の外周に対応する溝１４ａが形成され、円環部３１が挿通される位置をガイドしている。センサ取付部１４の外周には、パッキン等のシール材が配設され、センサ取付部１４とセンサ部材保持部３２とによりボンネット１内部が密封される。

図３に示すように、平面１３に沿って、磁気センサＭと接続される回路基板６が配設される。センサの取付面がフラットな平面１３になっている構成によれば、センサの取付面が円筒面である構成に比べて、センサの回路基板６の反り返りを防止できる。回路基板６は、少なくとも、センサ部材Ｍ２および発光素子と電気的に接続され、磁気センサＭにより検出された情報を外部に出力する。なお、回路基板６からケーブルが引き出されていてもよいし、これに代えて、又は加えて、無線通信機能を実現する回路を備え、磁気センサＭからの検出信号を無線通信により外部に送信してもよい。

開口部１５は、圧力センサ又は音響センサ等、別のセンサが取付可能な開口である。

図３に示すように、ボンネット１の－ｘ側には、内部と連通する孔１６が形成されている。孔１６は、ホルダ４の凹部４１と対応する位置に設けられている。孔１６にはボルト等の位置決め部材が挿通され、この位置決め部材が当該凹部４１に当接することで、ホルダ４の円周方向の位置を規制する。

●ステム２
図２に示すように、ステム２はボンネット１の内部を摺動し、摺動に応じてダイヤフラム５４をシート５３から当接離間させる略柱状の部材である。
ステム２の下端にはダイヤフラム押え５５（図１参照）が設けられている。ダイヤフラム押え５５は、下面側が下に膨らんだ凸面となっていて、ダイヤフラム５４の上方に設けられている。ダイヤフラム押え５５は、ボンネット１により上下動可能に支持されると共に、摺動するステム２に連動してその下面側においてダイヤフラム５４の中央部に当接し、ダイヤフラム５４の中央部を押圧する。なお、ダイヤフラム押え５５が設けられず、ステム２がダイヤフラム押え５５と一体となったような形状をしていてもよい。この場合には、ステム２の下端がダイヤフラム５４の中央部に当接する。

ステム２の上端部には、基部２１よりも小径の第１小径部２２と、第１小径部２２より小径の第２小径部２３とが形成されている。第１小径部２２と第２小径部２３は、上端に向かってこの順に連続して形成され、第１小径部２２と第２小径部２３との間には、それらの径の相違による段部２４が形成されている。第１小径部２２はセンサカバー３の円環部３１の貫通孔３１ａに挿通され、第２小径部２３はホルダ４の貫通孔４３に挿通されている。

●センサカバー３
センサカバー３は、ステム２の上端部が挿通される円環部３１と、ボンネット１に固定されるとともにセンサ部材Ｍ２を保持するセンサ部材保持部３２と、を有する部材である。円環部３１は、ｚ軸方向に貫通孔３１ａを有する円環状の部材であり、＋ｘ側はセンサ部材保持部３２と連結している。円環部３１の貫通孔３１ａには、ステム２の第１小径部２２が挿通されている。円環部３１の厚さは、第１小径部２２の長さよりも薄く、ステム２は円環部３１の内部を上下動する。

センサ部材保持部３２は、ｙｚ平面上に広がる平板状の部材である。センサ部材保持部３２の下端部は円環部３１と連結しており、センサ部材保持部３２は円環部３１の上方であって、ホルダ４の側方に伸び上がるように配設されている。センサ部材保持部３２は、円環部３１との連結面とは反対の面、すなわちアクチュエータ構造Ａの外側面に、略直方体状に凹んだ凹部３２ａが形成されている。凹部３２ａには、センサ部材Ｍ２が保持される。

このセンサ部材Ｍ２は、例えば略直方体状である。また、センサ部材Ｍ２は、ホルダ４に配設された磁性体Ｍ１とセンサ部材保持部３２を挟んで対向しており、センサ部材Ｍ２は、磁性体Ｍ１と共に磁気センサＭを構成し、磁性体Ｍ１との位置関係に応じて、ダイヤフラム５４の開閉状態を検出することができる。
なお、磁気センサＭは、センサの例であり、別の種類のセンサであってもよい。

●ホルダ４
ホルダ４は、磁気センサＭを構成する磁性体Ｍ１を保持する円筒状の部材である。ホルダ４は、主として、凹部４１、磁性体保持部４２、貫通孔４３を備える。

凹部４１は、－ｘ側に、軸方向に渡って形成される凹みである。凹部４１には、ボンネット１の外側から孔１６に挿通される位置決め部材が当接し、ホルダ４の円周方向の回転を防止する。

磁性体保持部４２は、磁気センサＭを構成する磁性体Ｍ１が篏合される凹みであり、ホルダ４の軸方向略中央部に形成されている。

貫通孔４３は、ホルダ４の略中央において軸方向に貫通する孔である。ホルダ４は、この貫通孔４３により、ステム２の上端部であってセンサカバー３の上方に挿通されている。より具体的には、ホルダ４は、ステム２の第２小径部２３に挿通されている。貫通孔４３の内径は、第２小径部２３の直径より大きく、第１小径部２２の直径より小さい。すなわち、ホルダ４は、第２小径部２３の長さ方向の範囲において上下動する。

●プッシュロッド５
プッシュロッド５は、上端にアクチュエータＤからの駆動力を受けるとともに、下端においてステム２の上端に当接し、駆動力をステム２に伝達する円柱状の部材である。プッシュロッド５とホルダ４の間には弾性部材７が介在している。弾性部材７は、ホルダ４を弁座側に押圧し、ステム２の段部又はセンサカバー３に当接させるため、その位置がずれることがない。弾性部材７は、例えばコイルバネ又は皿バネである。また、アクチュエータ構造Ａは、プッシュロッド５を有していなくてもよい。この場合には、例えばアクチュエータＤの駆動力をステム２が直接受ける構造としてもよい。

●ステム２の移動に伴う内部構造の動き
図３は、本実施形態に係るアクチュエータ構造Ａの内部構造を示す概略縦断面図であって、（ａ）開状態、（ｂ）閉状態を示す図である。すなわち、図３（ａ）においては、ステム２がアクチュエータＤの駆動力から開放され、ダイヤフラム５４が自身の復元力や流路内の圧力によってシート５３から離反するとともにステム２を上方に押し上げており、流路が連通されている状態である。図３（ｂ）においては、アクチュエータＤからの駆動力を受け、ステム２は下方に押し込まれており、流路が遮断されている状態である。

図３（ａ）に示すように、ステム２が上方に位置する状態において、ホルダ４の底面は、段部２４に当接して、上方に押し上げられる。その結果、ホルダ４は、センサカバー３と軸方向に離反している。

図３（ｂ）に示すように、ステム２が下方に位置する状態において、ホルダ４の底面は、センサカバー３の円環部３１上面に当接し、ステム２の段部２４と離反する。したがって、ホルダ４は、センサカバー３に当接した状態よりも下方へは移動しない。また、ステム２がホルダ４とセンサカバー３が当接した状態より下方へ移動する場合であっても、センサカバー３とホルダ４の位置関係が変わらず、ステム２のみが下方に移動する。また、この位置は、設計上バルブリフトが最小となる位置であり、磁気センサＭは、センサカバー３に当接した状態において閉状態を検知するように構成されている。

従来のステムに直接磁性体Ｍ１を取り付けた構成においては、ステムの寸法、ストロークすなわちバルブリフト、又は取付誤差等の器差が生じることで、閉状態において磁性体Ｍ１がステムと共に下方に移動した結果、磁気センサＭの検知範囲を逸脱し、閉状態を正確に検知できないおそれがある。これに対し、上述の構成によれば、ステム２がホルダ４とセンサカバー３が当接した状態より下方へ移動する場合であっても、センサカバー３とホルダ４の位置関係が変わらないため、磁気センサＭにおいて確実に開閉状態、特に閉状態を検知することができる。また、ステム２は、ホルダ４とセンサカバー３が当接した状態よりも下方に移動することができるので、確実に流路を遮断することができる。

また、シート５３、ダイヤフラム５４、および本発明に係るアクチュエータ構造Ａを含む流体制御機器Ｖとして構成した場合においては、シート５３の樹脂の厚さの個体差や、シート５３の経年劣化によっても、ステム２のバルブリフトの器差が生じたり、経年変化する場合がある。すなわち、従来の構成においては、シート５３が経年劣化により摩耗し薄くなると、磁性体がステムと共により下方に移動することとなり、リフト量は大きくなる。その結果、閉状態における磁性体の位置が磁気センサの検知範囲を逸脱し、閉状態を正確に検知できなくなるおそれがある。これに対し、本発明に係る流体制御機器Ｖによれば、シート５３の厚さが様々である場合においても、センサカバー３とホルダ４の位置関係は変わらないため、磁気センサＭにおいて確実に開閉状態、特に閉状態を検知することができる。

このような構成からなるアクチュエータ構造Ａおよび流体制御機器Ｖによれば、器差によらず、正確に内部動作を取得することができる。

なお、以上の本実施形態に係る流体制御機器Ｖでは、磁性体Ｍ１からなる磁気センサを備えたが、これに限らず、異なる種類のセンサを備えたものとすることもできる。センサにより検出された各種のデータは、弁の開閉動作、ダイヤフラムの破損等によるリーク、流体制御機器Ｖの経年劣化や個体差などを把握するための情報となり得る。

Ｖ 流体制御機器
Ａ アクチュエータ構造
Ｄ アクチュエータ
１ ボンネット
２ ステム
２１ 基部
２２ 第１小径部
２３ 第２小径部
２４ 段部
３ センサカバー
４ ホルダ
５ プッシュロッド

Claims (4)

1. 流体の流路中に配置され、内部動作に関するデータを取得可能なアクチュエータ構造であって、
   流路を画定するバルブボディと連結されるボンネットと、
   磁性体と対向して配置され、前記磁性体と共に磁気センサを構成するセンサ部材と、
   前記ボンネットの内部を摺動し、摺動に応じてダイヤフラムを開閉するステムと、
   前記ステムの上端部が挿通される円環部と、前記ボンネットに固定されるとともに前記磁性体または前記センサ部材の一方を保持する保持部と、を有するセンサカバーと、
   前記ステムの上端部であって前記センサカバーの上方に挿通される、前記磁性体または前記センサ部材の他方を保持するホルダと、
   を備え、
   前記ステムの上端部には、基部よりも小径の第１小径部と、前記第１小径部より小径の第２小径部とが連続して形成され、
   前記第１小径部は前記センサカバーに挿通され、
   前記第２小径部は前記ホルダに挿通される、
   アクチュエータ構造。
   
2. 前記第１小径部と前記第２小径部との間には、それらの径の相違による段部が形成され、
   前記ホルダの底面は、前記ステムが上方に位置する状態において、前記段部に当接して前記センサカバーと離反し、前記ステムが下方に位置する状態において、前記センサカバーに当接し、前記ステムと離反する、
   請求項１記載のアクチュエータ構造。
   
3. 前記ボンネットの内壁には、前記円環部の外周に対応する溝が形成されている、
   請求項１乃至２のいずれかに記載のアクチュエータ構造。
   
4. 流体の流路中に配置され、内部動作に関するデータを取得可能な流体制御機器であって、
   アクチュエータ構造と、
   前記アクチュエータ構造の上下動に応じて中央部が変位するダイヤフラムと、
   前記流路が連通する箇所の周縁に設けられ、前記ダイヤフラムが当接離反することによって、前記流路中の流体の流通および遮断が切り替わるシートと、
   を備え、
   前記アクチュエータ構造は、請求項１乃至３のいずれかに記載のアクチュエータ構造である、
   流体制御機器。

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